張曉紅，喬英杰

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，哈爾濱150001）

纖維增強隱身復合材料的研究進展

張曉紅，喬英杰

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，哈爾濱150001）

隱身技術是現(xiàn)代軍事裝備必不可少的技術，隱身材料是現(xiàn)代隱身技術重要的物質基礎。本文從力學性能與電磁性能的角度出發(fā)，綜述了不同構成成分的纖維增強隱身材料的在國內外的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，指出了在隱身技術研究中可能的發(fā)展方向。

隱身技術；力學性能；電磁性能

隨著微波電子技術的飛速發(fā)展，未來戰(zhàn)場的各種武器系統(tǒng)面臨著嚴峻的威脅。隱身技術作為提高武器系統(tǒng)生存能力的有效手段，受到世界各國的高度重視。隱身技術是指在一定微波探測環(huán)境中降低目標的可探測性，使其在一定的波長范圍內難以被發(fā)現(xiàn)的技術。她的出現(xiàn)促使戰(zhàn)場軍事裝備向隱身化方向發(fā)展。隱身飛機、隱身導彈、隱身艦艇、隱身軍車等武器裝備的相繼出現(xiàn)［1］，有效地提高了武器裝備的生存能力和突防能力，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中顯示出巨大的威力。武器系統(tǒng)的隱身能力可以通過外形設計和使用隱身材料來實現(xiàn)。外形設計雖然效果較好，但受到許多條件的制約。所以隱身材料的發(fā)展和應用成為隱身技術發(fā)展的關鍵因素之一［2－6］。因此，紅外吸波隱身材料研究及其結果在軍事上的應用具有重大意義。

1 纖維增強復合材料力學性能研究進展

1.1 纖維增強復合材料力學性能特點

纖維增強復合材料以有機聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強材料組合。纖維因其高強度、高模量的優(yōu)良特性而成為理想的承載體。而基體材料由于具有良好的粘接性能，使得兩者能夠很好粘接。同時，基體也能使載荷分布均勻，并傳遞到纖維中去，允許纖維承受壓縮和剪切載荷。纖維與基體之間良好的復合顯示出各自的優(yōu)點，并能實現(xiàn)最佳的結構設計，具有很多其他材料不具備的良好性能［7］。

復合材料是一種非均勻的各向異性材料，力學性能有明顯的方向性。另一方面，復合材料損傷破壞形式具有多樣性。復合材料的破壞是由于多種失效（如基體開裂、界面脫粘、纖維斷裂及分層等）的起始以及它們之間的相互作用，并且與很多因素如纖維、樹脂的性能、疊層順序、固化過程、環(huán)境、溫度以及使用條件等有關?？傊c金屬相比，復合材料具有更為復雜的失效模式［8］，這就大大增加了復合材料力學性能研究的難度。

1.2 纖維增強復合材料力學性能研究現(xiàn)狀

對纖維增強復合材料來說，纖維承載主要載荷。纖維的力學性能強烈地影響著復合材料的力學性能。為了從細觀上分析纖維增強復合材料的拉伸力學性能，董立民［9］等首次成功地進行了纖維束在應變率為50～200s－1范圍內的沖擊拉伸實驗，獲得了纖維束應力－應變曲線，得出玻璃纖維是與應變率相關的、芳綸（Kevlar纖維）對應變率不太敏感、炭纖維對應變率無關以及纖維在變形破壞過程中所有的應變能都轉化為熱能的結論。經進一步改進實驗技術，汪洋［10］等對玻璃纖維束進行了較大應變率范圍的沖擊拉伸實驗，得到了纖維和纖維束動態(tài)力學量之間的關系，提出了由纖維束的沖擊拉伸實驗來確定纖維動態(tài)模量和動態(tài)強度參數(shù)的方法。夏源明［11，12］等在自行研制的擺錘式塊桿型沖擊拉伸實驗裝置上，成功地實施了單向玻璃纖維／環(huán)氧樹脂復合材料、炭纖維／環(huán)氧樹脂復合材料的沖擊拉伸實驗，并獲得了應變率為1000s－1的應力－應變曲線，當應變率大于1300s－1時，玻璃纖維／環(huán)氧樹脂復合材料的韌性向脆性轉化。

許沭華，王肖鈞［7］等人通過實驗比較系統(tǒng)地研究了Kevlar纖維增強復合材料垂直纖維面的靜、動態(tài)壓縮力學性能。實驗結果表明：在沖擊壓縮載荷作用下，Kevlar纖維增強復合材料有明顯的損傷軟化現(xiàn)象和應變率效應。軟化效應反映了復合材料在沖擊載荷作用下復雜的損傷破壞模式和破壞過程。針對不同應變率下Kevlar纖維增強復合材料動態(tài)應力－應變實驗曲線，提出了一個新型的由宏觀損傷量來綜合描述復合材料內部損傷行為總體效果并且包含應變率效應和損傷軟化效應的相關動態(tài)本構方程。所引入的損傷量客觀上反映了Kevlar纖維增強復合材料內部基體開裂、脫層、纖維斷裂等多種破壞模式的總體效果。

陳利，劉景艷［8］等人采用短標距薄板試件法對三維多向編織復合材料試件進行了壓縮實驗，并分析了該類材料的縱向壓縮剛度、壓縮強度和泊松比隨編織工藝參數(shù)的變化規(guī)律以及材料的失效形式。三維多向編織復合材料在破壞前基本保持線彈性，而縱向壓縮破壞則具有脆性特征。編織角的增大導致了材料縱向壓縮性能下降。減小四向編織紗線的細度，有利于提高材料的縱向壓縮性能。此外，三維六向編織復合材料的縱向壓縮性能低于三維五向編織復合材料。

Tay［13］等人研究了對壓縮載荷敏感的玻璃增強塑料和純環(huán)氧樹脂的應變率效應。研究中利用液壓伺服Instron試驗機和分離式Hopkinson壓桿測試，得到了應變率在5×10－4～2500s－1范圍內的實驗結果。通過比較純環(huán)氧和玻璃增強塑料性能，揭示出兩種材料均為應變率材料，特別是在低應變率范圍內，隨應變率的增加動態(tài)模量顯著增強；動態(tài)加載下的應力－應變響應不僅是應變率函數(shù)，而且也是應變函數(shù)。提出了一個包含應變率和應變兩個量的經驗方程，其在所研究應變率范圍內，能夠有效地描述純環(huán)氧和玻璃增強塑料的應力－應變行為。

Khan［14］等人采用在不同方向對試樣進行壓縮強度測試，同時借助光鏡及掃描電子顯微鏡對斷裂試樣表面進行了研究，通過壓縮實驗表征了編織S2－玻璃增強聚酯層合板的失穩(wěn)強度及模量。其結果表明：層合板厚度方向的失穩(wěn)應力及應變要高于層合板平面方向。他們還采用分離式Hopkinson壓桿和直接盤式沖擊加載裝置，確定了材料的動態(tài)響應，發(fā)現(xiàn)該材料有明顯的應變率敏感效應。Khan［15］等人又研究了玻璃纖維增強聚合物基復合材料壓縮性能隨應變率增加的變化情況。通過實驗確定了玻璃纖維增強塑料（Glass Fiber Reinforced Polymer／Plastic，GFRP）復合材料性能隨應變率增加的動力學響應變化。他們采用液壓伺服試驗機獲得了范圍分別在10－3～10s－1的壓縮應變率和2～1000kN／s的加載率。實驗采用的圓柱和立方體試樣尺寸均為10mm。測試結果顯示出最大應變、最大強度和彈性模量的應變率效應。他們測試了兩種不同厚度（9～11mm和15～18mm）的缺口三點彎曲試樣，確定了復合材料斷裂韌性的加載率效應。

Ochola［16］等人研究了不同應變率下玻璃及碳環(huán)氧樹脂基增強復合材料的動力學行為。結果表明：與準靜態(tài)加載相比，動態(tài)加載條件下的材料及結構響應明顯不同。他們在10－3～450s－1的應變率范圍內，通過測試單層層合板即正交［0°／90°］聚合物基復合材料（Polymer Matrix Composites，PMC），研究了炭纖維增強塑料（Carbon Fiber Reinforced Polymer／Plastic，CFRP）和玻璃纖維增強塑料的應變率敏感效應。在從低到高的應變率下，通過測試層合板體系（CFRP和GFRP）確定了材料的壓縮性能。結果表明，初始壓縮應力－應變與應變率數(shù)據(jù)顯示，GFRP的動態(tài)強度隨應變率的增加而增高，而CFRP和GFRP的失穩(wěn)應變則隨應變率增加而降低。

Hsiao［17］等人利用落重和液壓伺服試驗機分別研究了碳／環(huán)氧復合材料壓縮和剪切行為以及帶有波狀纖維的復合材料的應變率效應。該研究表征了沿縱向和橫向加載的單向（IM6G／3501－6）及正交碳／環(huán)氧層合板特性；對相同的單向材料進行偏軸（30°和45°）壓縮測試，獲得了平面剪切應力－應變行為規(guī)律；90°偏軸時的性能由基體主導，與靜態(tài)值比較顯示出模量和強度有所增強，而最終應變沒有明顯的改變；剪切應力－應變行為顯示，隨應變率增加應力顯著增加，達到穩(wěn)定水平后呈現(xiàn)出很高的非線性；0°和正交層合板顯示，隨應變率增加強度及應變值增加較高，而與靜態(tài)比較模量僅少量增加。強度和最終應變的增加可能與復合材料的剪切行為和失穩(wěn)模量改變有關。

2 纖維增強復合材料的電磁性能研究現(xiàn)狀

2.1 碳納米管作為吸波劑

自1991年日本科學家Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管以來［18］，由于碳納米管具有獨特的力學、磁學、電學等性能，其應用范圍已擴展到催化劑載體［19－21］、電極材料［22］、儲氫材料［23，24］、納米電子器件［25］、復合材料［26－28］等多方面，逐漸形成了材料界和凝聚態(tài)物理的前沿和熱點［29］。近幾年來，碳納米管作為一個典型的納米結構，更日益受到重視。

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs），又名巴基管，是碳同素異構體家族中的一個新成員。碳納米管是一種具有特殊結構的一維量子材料。其徑向尺寸為納米級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口。按所含有石墨層數(shù)的不同，碳納米管可分為單層碳納米管（Single－wall Carbon Nanotube，SWCNT）和多層碳納米管 （Multi－wall Carbon Nanotube，MWCNT）。兩者的物理性質都與其各自的結構有密切關系。碳納米管無縫管狀結構和管身良好的石墨化程度賦予了碳納米管優(yōu)異的力學性能。理論估計單層碳納米管的拉伸強度［30］為鋼的100倍，而質量只有鋼的1／6，并且延伸率可達到20% ，其長度和直徑之比可達100～1000，遠遠超出一般材料的長徑比（約為20），因而被稱為“超強纖維”。碳納米管因其優(yōu)異的熱力學性質，通過復合可以改善其他材料的性能。在金屬、高分子、陶瓷等材料中加入一定量的碳納米管，不但可以明顯地提高材料的熱力學性質，而且還可以改善基體的某些電學、磁學性能［31］。

新一代隱身吸波材料要求吸收強、寬頻帶、質量輕、厚度薄、功能多、紅外微波吸收兼容以及具有優(yōu)良的其他綜合性能。采用具有特殊電、磁、光性能的無機納米材料與性能優(yōu)良的有機聚合物復合制造吸波材料是實現(xiàn)這些要求的一個重要方向。近幾年，研究發(fā)現(xiàn)CNTs的電磁特性明顯不同于其他各類已知的碳結構［32－34］。例如，由于量子限域效應，電子在CNTs中的運動是沿軸向的。由于電子能量和波矢之間的關系，CNTs可表現(xiàn)出金屬或半導體特性［35，36］。CNTs擁有的特殊的螺旋結構和手征性還導致其具有特殊的電磁效應［37，38］。碳納米管的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀隧道效應對其吸波性能有重要影響，表現(xiàn)在：（1）大量懸掛鍵的存在使界面極化，高比表面積造成多重散射；（2）宏觀量子隧道效應的存在使得納米離子電子能級分裂，分裂能級間隔處于微波的能量范圍內（10－2～10－4eV）；（3）碳納米管不但具有較高的電損耗正切角，依靠電介質的電子極化或界面極化衰減，吸收電磁波，而且還具有較高的磁損耗正切角，依靠磁滯損耗、疇壁共振和后效損耗等磁極化衰減吸收電磁波［39］。CNTs獨特的力學、電學和磁學性能預示它在制備吸波隱身材料中具有廣泛的應用前景。

由于碳納米管上述優(yōu)點，使其成為復合材料理想的增強體。在纖維增強復合材料中，纖維和基體的界面屬性對于復合材料的力學性能和結構的完整性是至關重要的。對相對“惰性”的碳納米管的表面進行修飾，在碳納米管增強復合材料的制備中起著重要的作用［40］。

在碳納米管增強金屬基復合材料的制備中，要想發(fā)揮碳納米管性能必須解決兩個問題［41，42］：（1）如何增強碳納米管和金屬基體的潤濕性；（2）碳納米管如何在基體中均勻分散。碳納米管的表面張力臨界值為100～200mN／m量級，遠低于大多數(shù)金屬的表面張力值（如：Cu為1270mN／m）［43］。若碳納米管未進行表面處理，其與金屬基體難以形成結合牢固的界面結合，其優(yōu)異的力學性則不能充分發(fā)揮［44］。

曹茂盛等［45］制備了碳納米管／聚酯基復合材料，并研究了其微波吸收特性，分析表明，通過改變厚度，碳納米管／聚酯基復合材料在8～40GHz波段有明顯的吸收，且當厚度為（1.40±0.05）mm，添加質量分數(shù)為8%CNTs的聚酯基復合材料，在25GHz波段有明顯的吸收。孫曉剛［46］將碳納米管和環(huán)氧樹脂按兩種比例混合在1.2mm厚鋁基板上，澆鑄成7mm厚復合吸波涂料層，采用反射率掃頻測量系統(tǒng)HP8757E標量網絡分析儀檢測了吸波性能，研究表明，碳納米管和環(huán)氧樹脂比例為1∶100時，吸波層試樣在11GHz和17.83GHz出現(xiàn)雙吸收峰，最大吸收峰出現(xiàn)在17.83GHz，峰值R為－9.04dB，帶寬約1GHz；碳納米管與環(huán)氧樹脂比例調整為8∶100時，雙吸波峰出現(xiàn)在10.08GHz和16.8GHz，帶寬分別達到2.87GHz和2.56GHz，總帶寬5.43GHz（R＜－8dB）。

2.2 氧化鋅作為吸波劑

氧化鋅具有典型的纖鋅礦結構。該結構可以簡單地描述為由O2－和Zn2＋四面體沿C軸交替堆垛而成。由于氧化鋅的這種結構，導致其沒有對稱中心，因此具有壓電和熱電性能。同時氧化鋅又是半導體材料，為寬禁帶直接帶隙半導體。其禁帶寬度為3.37eV，激子結合能為60meV。從1960年以來，因為氧化鋅薄膜在傳感器，換能器和催化方面的應用，氧化鋅薄膜的制備一直是人們研究的方向。此外，氧化鋅是一種用途十分廣泛的n型半導體功能材料，在量子器件、特種精細陶瓷、太陽能利用、環(huán)保催化劑、醫(yī)藥、化妝品等方面有著十分廣泛的應用前景。其還可用作氣體傳感器的敏感材料、熒光體、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、變阻器、壓敏電阻、催化劑、磁性材料、陶瓷材料、高密度信息存儲材料［47，48］。

隨著尺寸的減小，由于表面效應和量子限域的影響，納米結構氧化鋅在光學、光電子學、催化和壓電等方面上表現(xiàn)出奇特的性能特點。其制備和性能研究已成為當今準一維材料研究的熱點［49－58］。

趙韋人［59］等的理論分析表明，當納米線的半徑減小到與電子平均自由程同一數(shù)量級時，納米線的介電常數(shù)ε依賴于其在線中的局域位置。在這種情況下，納米線的ε″r／ε′r比將隨其半徑的減小而急劇增加。這種性能有利于其在電磁隱身領域的應用。

劉建華［60］等使用波導法對四腳狀氧化鋅晶須、氧化鋅納米晶體以及體相氧化鋅材料進行磁導率和介電常數(shù)的測量。結果表明，在8～12GHz的范圍內，四腳狀氧化鋅晶須、氧化鋅納米晶體以及體相氧化鋅的介電損耗隨頻率的增加變化不明顯。微波電磁性能實驗表明，四腳狀氧化鋅晶須以及氧化鋅納米晶體是一種介電損耗材料，具有一定的微波吸收性能，并且四腳狀氧化鋅晶須的介電損耗大于氧化鋅納米晶體。體相氧化鋅材料在這個頻率范圍內基本沒有電磁損耗。對于納米氧化鋅，其介電損耗機制目前還不是特別清楚。

曹茂盛［61］等對氧化鋅吸波性能做了大量研究，首先采用碳熱還原法制備四腳氧化鋅。采用燃燒合成的方法制備ZnO晶須／SiO2復合材料獲得良好的吸波性能，ZnO晶須含量為20%時，在11.6GHz具有最大吸收峰，峰值R為6.5dB［62，63］。將ZnO納米線分散到聚酯中得到的復合材料在5～14GHz范圍具有良好的吸波性能，且隨著納米線含量變化有所不同，納米線含量為6%時最大吸收峰為8.37dB，吸波范圍5～12GHz；在納米線含量為7%時，峰值可提高至12.28dB，吸波范圍8～14GHz。通過固相合成的方法將氧化鋅嵌入到PZT（Piezoelectric）基納米復合材料中，與單一PZT陶瓷相比提高了力學性能，然而卻降低了壓電性能［64］。研究者又將氧化鋅納米晶須嵌入到玻璃纖維增強復合材料，由于氧化鋅晶須3D結構和相應的應力傳遞（動態(tài)壓縮應力下，應力從氧化鋅一只腳轉移到另外三只腳，導致應力傳播，阻止裂紋擴散，限制復合材料變形），使復合材料具有較高的力學性能，氧化鋅晶須的擴散和斷裂模式使復合材料又具有優(yōu)良的動態(tài)力學性能［65］。

3 結束語

如上所述，國外在隱身材料的研究方面，經過數(shù)十年的努力，纖維增強復合材料以其高比強度、高比剛度，特別是可設計性等特點，在航空、航天、軍事、汽車等部門的應用日益廣泛。但在許多實際的工程應用中，可能遭受到諸如子彈撞擊等不同形式的高速沖擊載荷。然而目前對纖維增強復合材料在高加載率下的動力學行為還知之甚少，因此對其在高應變率下的動力學性能行為及其沖擊損傷破壞問題的研究就越來越引起人們的廣泛關注，并可能成為新的研究熱點之一。

目前已研制的隱身材料大多只能在某一頻帶起作用，在其他波段則會喪失隱身效果。因此，研究高性能、寬頻帶吸波材料以展寬有效頻帶，實現(xiàn)多頻譜隱身材料相兼容是隱身材料未來發(fā)展的一個主要方向。

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Progress in Fiber－enhanced Composite Materials for Stealth Applications

ZHANG Xiao－h(huán)ong，QIAO Ying－jie
（College of Materials Science and Chemical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Stealth technology is indispensable in the modern military equipment and stealth materials is important substantial foundation of modern stealth technology.In this work，the domestic and foreign development and status of fiber reinforced stealth materials with different components are summarized on the base of mechanical and electromagnetic properties.The possible direction about stealth technology was also pointed.

stealth technology；mechanical property；electromagnetic property

TB332

A

1001－4381（2011）08－0087－06

2010－04－01；

2011－02－20

張曉紅（1974－），女，博士研究生，講師，主要從事電磁材料研究，聯(lián)系地址：哈爾濱市南崗區(qū)南通大街145號哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院（150001），E－mail：zhangxiaohong＠hrbeu.edu.cn